基于网络的三维GIS数字矿山安全监察系统的设计与实现

2022-09-10

近年来在国民经济保持持续高速发展的大背景下, 我国对煤矿资源的需求越来越大。与此同时, 煤炭企业安全生产形势依然严峻, 部分地区的煤炭企业走的仍然是一条高投入、高耗能、低产出、低回报的粗放型发展道路, 各类矿难事故频发, 给国家企业和个人带来不可估量的损失。为了打破这一困让我国煤炭行业的魔咒, 这一长期以来, 人们一直致力于本质安全矿井的建设。同时, 受国家宏观调控政策和煤炭市场规范化的拉动, 煤炭价格稳定上行, 煤炭企业也有了实力逐渐在安全生产信息化上加大投入力度。

宏观上讲, 本质安全矿井主要包括四个方面的内容:人、物、系统、制度。在当今的信息时代, 如何利用科学的管理手段去统一管理这四个因素, 并在发生事故时如何快速查找矿井, 快速的制定应急救援措施, 并进行远程救援指挥, 就是数字矿山所要探讨和解决的问题。

1 技术背景

进入二十一世纪, 互联网技术、计算机技术、3 S (G I S/R S/G P S) 技术、虚拟现实、航空与航天等技术飞速发展, 这就给地理信息技术手段带来了前所未有的变革。利用高分辨率卫星影像以及航空像片, 通过对影像的平面、高程、结构、色彩等的数字化处理, 按照统一坐标无缝拼接而成, 可以迅速建立基于真实影象的三维GIS数字模型, 使人们可以直观的从三维G I S数字模型上判读处山川、河流、道路。借助传统平面地图的概念, 叠加空间矢量数据, 地物兴趣点数据、以及三维模型数据形成可视化三维GIS数字模型展示系统。与传统二维G I S系统相比, 三维GIS数字模型展示系统突破平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差、没有要素结构与纹理信息等诸多限制, 通过对真实地形、地物、建筑的数字化三维模拟和三维表达, 提供给使用者一个与真实生活环境一样的三维环境。

“3 S”技术 (遥感R S、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS统称“3S”技术) 及其相关技术的不断成熟和广泛应用, 为基于网络的三维GIS数字矿山的实施提供了坚实的理论基础和技术支撑;本文要介绍的基于网络的三维GIS数字矿山安全监察系统正是利用当今先进的信息技术, 打造的网络信息化高效管理平台, 通过对三维GIS数字矿山的数字化管理, 可以为煤炭企业的矿山建设、企业管理、险情监控提供可持续发展的信息化服务, 减少信息孤岛, 大力提高煤炭企业空间信息共享和利用水平, 提高煤炭企业整体信息化管理和经营管理水平。

2 需求分析

基于网络的三维GIS数字矿山安全监察系统是建设在数字地球基础上的一个综合、开放、组件式的矿山信息系统, 在矿山基础信息 (位置、资源、开拓、巷道) 的基础上, 通过对煤炭企业自然状况的分析 (系统) , 井下人员的定位 (人) , 设备开停的监测甚至包括日后的远程控制 (物) , 井下瓦斯的监测 (环境) , 让企业的各级领导可以层层管理, 层层控制矿山的安全生产状况, 并可以依据系统反应的实时生产情况 (巷道的掘进, 工作面的推进, 设备的安置) 判断生产作业是否合理, 安全管理制度是否到位 (管理和制度) , 相关的政府管理部门也可依据系统所反应的实时情况随时监控煤炭企业的安全生产状况, 以现代化的高科技手段通过对四个安全因素的管理, 为全市矿山安全建设提供强有力的信息支撑和保障。

基于网络的三维GIS数字矿山安全监察系统是在因特网上发布的三维信息系统, 煤炭企业的管理者和技术人员可以在没有身处矿山的情况下, 在全国各地任何可以上网的地方直观的查看自己矿井的安全状况和生产状况, 对矿井进行远程管理甚至是设备的远程控制 (当然, 这需要很高

3 系统设计

3.1 数据支持

建设基于网络的三维GIS数字矿山安全监察系统需要高清晰的影像数据、数字高程模型数据、系统建设时需要全市大规模的基础测绘数据, 在建设初期, 可以使用低分辨率的影像数据, 逐步建立的过程来解决基础数据, 或是与测绘部门沟通协调, 由测绘部门保障系统所需要的基础数据。所需数据主要包括:区域内高分辨率影像数据;区域内高精度数字高程模型数据;区域内基础要素矢量数据;煤矿矿区地点的高精度影像数据及数字高程模型数据。

矿山资料其实是和基础资料一起收集的。在建设真实的矿山三维景观的时候, 还必须对现场进行实地调研, 以获取矿井三维建模的相关资料。对于矿区地上建筑物, 必须收集矿区总平面图, 加以采用实地拍照等方式获取地面场景三维建模所需的资料;对于井下巷道情况, 由业主单位提供井上下对照图或采掘工程平面图, 结合矿井的实际情况, 综合收集井下生产系统建模所需的资料;对于井下设备情况, 根据开采方案设计和安全专篇中的设备选型, 结合现场对企业的调研获取相关资料。

对矿井已有的矿山信息系统的调查, 主要包括矿井的地面和井下生产系统, 监测监控系统、人员定位系统以及矿井运行的其他系统。

根据各个矿井不同的实际情况需要收集的其他资料。

3.2 网络环境要求

系统硬件采用服务器工作站进行发布服务, 能够初步满足互联网50用户数的访问。随着今后用户逐步增加, 会逐步增加及升级服务器。

系统网络至少采用1M以上独立带宽的光纤进行网络系统支撑, 需要根据不同用户数级别来提升带宽, 并且要选择好的服务运行商以保证不间断的网络服务。并通过配备UPS以保证系统在公网的实时在线运行, 以随时为政府和企业服务。硬件设备配置在本文中不多作赘述。

3.3 软件系统设计

针对数字矿山安全监察系统的具体需求进行分析后, 我们项目最终选择了美国Skyline公司的Terra Suite系列软件产品作为系统的三维软件平台。Terra Suite灵活、简便的建模工具、稳定的软件功能、组件化的软件体系、便捷的技术拓展优势是它中选的主要原因。

Terra Suite是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型 (DEM) 和其它的三维或二维信息源以及GIS数据等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速地融和数据、更新数据库, 并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术, 此系统还能够快速和实时地展现给用户三维地理空间环境。Terra Suite是独立于硬件之外的多平台、多功能软件系统。Terra Suite是基于网络的三维GIS, 具有精确的定位查询、浏览、编辑、注释、打印、空间分析、VR技术、用户自定义工作界面、基于COM的二次开发以及网络发布等功能。

Terra Suite的核心工作流程是这样的。首先将已经纠正的数字正射影像以及高程数据 (DEM) 加载在到TerraBuilder中, 并对这些数据的格式进行转换, 然后进一步生成MPT格式的文件, 形成TerraExplorer Pro所需要的“数字地球”三维地形场景。接下来在TerraExplorer Pro中, 导入“数字地球”三维地形场景并通过连接地理信息系统数据库 (GIS Database) 在TerraExplorer Pro中进行二维、三维模型的建立, 也可以在TerraExplorer Pro中进行二维、三维信息和地理信息系统数据文件 (GIS data files) 的加载, 并在TerraExplorer Pro中进行编辑操作, 形成真实、准确的三维地理模型, 进而生成真实的三维数字地球立体景观。如图1所示。

三维GIS数字矿山安全监察系统选用Oracle10g作为首选数据库。Oracle以符合国际标准的SQL数据库语言为基础, 具有丰富的软件工具, 是当今世界上唯一可以同时适用于大、中、小型机和微型机的数据管理系统。它支持多种硬件及操作系统、多种网络通信协议和多种数据库管理系统的互联, 从而为建立分布式数据库提供了强有力的支持。

建成后的系统包括了相关信息的采集、维护和管理;将专业化的安全管理体制融入系统当中, 使企业对安全管理和制度的执行置于系统中, 受到严格的监控;采用三维空间和计算器网络的手段, 使管理和应用人员方便的在不同地点和不同环境下, 只要能浏览计算机网络, 就可将实际生产三维空间拉入眼前。